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内燃机曲轴振动研究的内容及方法
付鲁华1 吕兴才2 张寅豹3
(1. 300072 天津大学 2. 200030 上海交通大学 3. 300201 天津出入境检验检疫局)
曲轴的振动本质上是三维形式的振动,不仅扭转振动是人们研究的主要内容之一,弯曲振动、纵向振动也成为研究的重要内容。因此开展轴系多维振动的机理与控制方法的研究既有较高的学术价值,又有明确的工程应用意义。
1 曲轴扭转振动的研究
早期的曲轴振动研究主要采用离散化方法,并将曲轴振动作为纯扭转振动处理。1916 年德国工程师盖格尔Geiger) 发明了机械式盖格尔扭振测量仪。1921 年德国学者霍尔兹(Holzer) 首次提出用一种表格法(即霍尔兹法) 来分析离散化曲轴无阻尼状态下扭转振动的固有频率和振型,并可应用于强迫振动。后来许多学者如Timoshenko 、Tuplin 等相继运用偏微分方程和波动方程在霍尔兹表格法基础上进一步发展了扭转振动分析方法,将曲轴简化为质量圆盘系统,并采用等效当量阻尼,因而更接近实际。
在20 世纪60 年代,国外学者大量采用点传递矩阵和场传递矩阵来研究曲轴这类具有链状结构物体的振动,通常称为传递矩阵法或Myklestad - Prohol 法。20 世纪70 年代,Doughty 等采用了扩展的传递矩阵来分析有阻尼的曲轴振动,并用Newton - Raphson 迭代法求解复数固有频率。在传递矩阵计算时,当轴系的支撑过多、频率较高时由于矩阵接近病态而可能发生数值不稳定的现象,可采用Riccati 传递矩阵以有效地改善数值的稳定性,但是Riccati 法也可能因为中间截面的选择不当而出现奇点和奇异截面的问题,这时可采用第二类Riccati 传递矩阵。20 世纪80 年代初期,日本学者提出了消阻法以及动态刚度矩阵法来分析离散或连续体曲轴扭转振动。为了快速而准确地预测曲轴在周期运动过程中的扭转应力,J . Peter 等应用了模态分析技术。20 世纪80 年
代后期,随着计算机技术的迅速发展,各种有限元软件(NASTRAN、ANSYS) 的相继诞生和日趋完善,用有限元方法分析曲轴的强度和刚度以及应力状况的工作增多,然而模型的准确性、计算精度的可比性、计算成本都还没有得到有效的解决,因此传统的动力学分析方法仍然广为应用。曲轴扭转振动分析的准确性和精度的关键在于模型的建立。由于曲轴结构复杂,因此任何分析必须首先对曲轴进行简化。模型的建立主要基于两方面:其一是基于离散模型或是连续体模型,其二是否包含阻尼以及阻尼的处理。当要求更高的计算精度时,应当根据弹性体连续梁方法或瑞利法来当量化曲轴。曲轴的阻尼比较复杂,主要包括减振器的粘性阻尼和曲轴的结构阻尼,以及气缸的摩擦阻尼。
为了分析方便,可以根据等效功的原则或试验方法计算出单位气缸的阻尼,然后作为线性粘弹阻尼施加在曲轴上。实际上曲轴的阻尼和支撑刚度是非线性的,目前也有许多学者应用非线性支撑来模拟主轴承座以预测曲轴的振动和应力分布。以前的曲轴扭转振动研究中,主要目的是为了计算曲轴的最大扭转位移,预测出最大扭转应力以满足可靠性的要求。近些年由于低噪声的要求,除满足内燃机运转的可靠性外,还要求尽可能低的噪声行为。因此研究曲轴的扭转振动和噪声辐射关系的内容也引起人们的重视。
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发表于 2006-6-19 17:33
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发表于 2006-6-19 20:00
